中美水電標準體系對比研究

鮑 淑 君

(國家發展和改革委員會 國際合作中心，北京 100038)

0 引 言

中國水電在技術、人才、資本上的優勢，已成為國家“走出去”戰略的亮麗名片，中國水電企業業務遍及全球140多個國家和地區，參與的已建在建海外水電工程約320座，總裝機超過8 100萬kW[1]。隨著水電“走出去”進程的加快和國際水電項目的推進，水電標準化建設的重要性日益凸顯。相比于中國水電建設和管理技術水平，中國水電標準在國際上的影響力還不夠，技術標準已成為中國水電工作對外技術交流和參與國際市場競爭的主要瓶頸之一，中國水電標準體系同國際接軌成為迫切需要。

中國水電標準在東南亞、南亞、非洲等水電標準欠缺的發展中國家應用度或接受度較高，而在歐洲、美洲等標準體系健全的發達國家，或受歐美影響較大的國家多采用歐美標準[2]。根據《中國承建國際水電工程項目技術標準應用情況資料匯編》的介紹，我國承建的國際水電工程中，中國標準使用了5 110項次，占48%，美國標準使用了2 453項次，占比為23%，為使用頻次最高的兩項標準[3]。

綜上所述，美國標準是中國水電走出去中無法繞過的重要標準。美國作為主要的標準輸出國，分析中美兩國水電運行中相關標準的差異，對于提高中國水電行業標準的技術水平和國際市場接受度至關重要。

1 中美水電標準體系對比

1.1 中國水電標準體系

中國的標準體系結構如圖1所示，標準體系呈現出層次結構和線性結構。層次結構是表達標準的上下級關系，可以分為國家標準、行業標準和團體標準3類，其中，國家標準和行業標準的編制主要由標準化技術委員會等政府機構主導；線性結構主要體現實踐上的前后順序，可分為設計期標準、建設期標準和運行期標準；同時按照執行類型，中國水電標準還可分為推薦性標準與強制性標準。

2017年，為落實國務院標準化改革工作精神，滿足水電行業技術發展和技術標準管理需求，由水電水利規劃總院牽頭開展了水電行業技術標準體系研究工作，依據國家技術標準體系編制原則和要求，按照水電工程全生命周期的理念，建立了水電行業技術標準體系框架，形成了《水電行業技術標準體系表》。體系表覆蓋水電工程全生命周期設計的整個系統和各種技術標準，涵蓋水電相關的國家標準和行業標準，其中行業層面標準主要來源于能源行業標準(NB)、電力行業標準(DL、SD、SDJ)、水利行業標準(SL)等。體系表結合各項標準的內在聯系特征和水電行業的技術特點，系統梳理了水電相關技術標準的功能序列，功能序列是指為了實現水電專業相關目標和任務，針對規劃、建設、管理等一系列服務活動而制定的標準，按照功能序列水電相關技術標準可分為通用及基礎標準(體系編號T)、規劃及設計(體系編號A)、設備(體系編號B)、建設調試及驗收(體系編號C)、運行維護(體系編號D)、退役(體系編號E)6大類，詳細功能序列結構如圖2所示[4]。

T通用和基礎標準系列標準是整個水電工程全階段的基礎性技術標準。

A規劃及設計類標準與B設備類標準主要針對工程的規劃設計期，其中A規劃及設計類標準包括規劃設計階段各項資料整編、規劃、勘察和設計計算工作的標準規范；B設備類標準主要包括機電設備、金屬結構設備、安全監測儀器、環保設備、水文監測設備等的技術條件。

C建造和驗收類標準主要針對工程建設期，包括水工混凝土、砂石料、外加劑等水電工程建筑材料的技術及試驗規程，土建工程規范，機電設備、金屬結構物安裝調試規范，施工設備設施及安全規范，征地移民、環保水保的實施與驗收規范，工程造價、質量監測評定、管理與驗收等標準規范。

D運行維護類標準主要針對工程運行期，包括電力系統及水電站運行維護綜合性標準，水庫及電站運行調度標準，水工建筑物、機電設備、金屬結構的運維及檢測標準，工程安全監測標準，征地移民、環保水保等后評價標準，建筑物、設備、設施更新與改造等更新改造標準等。

E退役標準主要針對的是功能喪失或安全風險較高的老壩、病壩，鑒于中國水電建設起步較晚，水電工程運行年限較短，因此該分類目前沒有現行有效的技術標準文件。

綜上所述，中國的水電標準體系主要按照功能序列和專業進行管理，標準的針對性較強，通用性較弱，一般僅適用于特定類型的水電工程，如《中國可持續水電評價導則》僅適用于大中型水電站和抽水蓄能電站[5]，《中國綠色小水電評價標準》僅適用于除抽水蓄能電站和潮汐電站以外的總裝機容量50MW及以下的已建小型水電站[6]。

1.2 美國水電標準體系

美國采用的是以“技術法規+技術標準”為主的標準體系，其制定一般是由學會、協會等非政府機構主導，例如美國陸軍工程兵團(United States Army Corps of Engineers，USACE)、美國墾務局(United States Bureau of Reclamation，USBR)等[7-8]。政府制定法律法規時，可引用學會、協會制定的標準，從而賦予這些標準在聯邦政府、州政府或當地政府層面上的法律效率[9]。

1.2.1美國工程兵團標準體系

USACE是美國主要水利機構之一，也是全美唯一負責大型綜合性水庫工程修建和運行的機構，目前擁有和管理700多座大壩，257座水閘，既負責自建水庫工程的洪水調控，也承擔USBR修建的水庫工程的洪水管理，其控制水電站的發電量占美國總水電量的20%左右。此外，USACE也為全球100余個國家提供工程服務。

USACE水電工程標準體系在水電工程勘察、設計、施工等各方面研究、開發和應用上均處于世界領先水平，在世界范圍的水電工程建設中得以廣泛應用，成為水電項目建設的世界通用標準。USACE編譯的《水力設計準則》對我國水電工程水力學的發展有重要的推動作用，所開發的HEC系列軟件在中國應用廣泛，近年來其工程手冊(EM)系列標準中的若干標準已被翻譯成中文。USACE標準體系已于1998年全部完成電子化，其標準體系是開放式的，可在其官方網站(http：∥www.usace-army.mil)免費下載。

USACE標準體系包括工程通告(EC)、工程指令(ED)、工程設計指南(DC)、工程規定(ER)、工程手冊(EM)、工程小手冊(EP)、工程技術函(ETL)、工程表格(ENG)等3個類別、8個系列，其標準系列的結構參見圖3。

輔助性標準主要包括工程通告(EC)系列，工程設計指南(DC)。工程指令(EC)系列主要為標準制定與管理相關政策、通知類文件；工程設計指南(DG)僅包含兩部標準，涉及空氣分離技術和吸附設計指南，在水電行業較少應用。

程序性標準是USACE標準體系中最重要的標準類型，現行有效的程序性標準共882份，包括工程規定(ER)系列、工程手冊(EM)系列、工程小手冊(EP)系列、工程技術函(ETL)系列。ER系列標準為原理及政策類標準，現行有效標準共計276份，該系列中明確將水電工程的開發及運行程序分為：勘察、可行性研究、建設前設計及技術研究、建設施工、運行維護5個階段，并規定了各階段、各項工作的管理政策。EM系列標準共158份，為USACE水電工程標準中應用最為廣泛的部分，主要涉及水電工程設計開發過程中水文分析、水力設計、功能及結構建筑物設計、機電機械設計等標準文件。EP系列共有103份標準，主要涉及水電工程開發及運行各階段主要工作的程序性指導文件，如《水力發電運營和維護指南和程序》《航運、疏浚、維護指南及程序》等，大多為概括性的文件，目的是為各項工作的開展提供總體指導方針，EP系列標準往往與EM系列標準結合使用。ETL系列包括3項標準文件：《用于支撐洪水頻率分析的古洪水信息》《用于支撐風險評估的巖土系統響應曲線》《排水：方法、評估、設計、安裝和性能監測》，該系列為工程各項工作的開展提供理論與數據支撐。

配套性標準主要為工程表格(ENG)系列，共計3 155份，主要為工程全面質量管理過程中相關記錄的標準化表格。

1.2.2美國墾務局標準體系

USBR水電標準包括：政策指令，設計標準，設計數據收集指南，工程手冊與指南，行業標準與參考資料，設施說明、標準和技術(FIST)手冊(見圖4)。

政策指令中包括6部標準，此部分標準主要用于介紹墾務局標準的制定理念和原則，確立墾務向執行其使命的總體框架。

設計標準包括13部，每一部分成若干章，構成一個幾乎覆蓋全部水利水電勘測、設計及施工等專業的完整的標準體系。設計標準以符合美國公眾利益的環保與經濟理念，規定了工程設計開發的技術要求和流程。USBR現有的設計標準包括很多方面，主要包括13部標準：一般設計標準，混凝土壩設計標準，輸水設施、魚類設施、道路和橋梁設計標準，電氣基礎設施設計標準，現場安裝程序設計標準，水輪機和泵設計標準，閘門、閥門和壓力鋼管設計標準，其他機械設備設計標準，建筑物設計標準，傳輸結構設計標準，工廠測試設計標準，堤壩設計標準，水壩附屬結構(溢洪道和出口工程)設計標準。每個設計標準都附有對應的標準，詳細的設計標準體系結構如圖5所示。

設計數據收集指南主要用于工程評估調查、可行性或規范設計中的數據收集建議，包括大壩及其附屬結構建筑物、機電設備、環保設施等可行性設計階段需要收集的數據指南，深化設計階段需要收集的數據指南，數據收集整理典型案例等。

工程手冊與指南主要包括水文測量手冊、工程地質學手冊、混凝土手冊、拱壩設計手冊、重力壩設計手冊、拱壩設計手冊、雙曲拱壩設計/規劃/評估及可行性分析手冊、測繪和航空攝影、遙感技術：USBR內的指南和應用、水質調查技術指南、引水時的魚類保護/魚類排除設施規劃和設計指南、水系統自動化手冊、運河系統自動化手冊等工程勘察、設計及運行管理階段的各類技術手冊，可為技術人員提供規范化、標準化的指導工具。同時，美國的水電開發起步較早，近年來，老舊水庫的安全問題日益引起關注，美國開啟了史上最大規模的老舊水壩拆除項目，拆除了多達1 300座老舊水壩，因此USBR在2021年發布了《美國大壩拆除經驗和規劃、技術報告》，為老舊水壩的拆除工作提供技術指南。

除了自主發布標準，USBR還借鑒行業內其他機構發布的標準，將美國土木工程師學會(ASCE)的排水設計、輸電線路和變電站設計標準，電氣和電子工程師協會(IEEE)的電力、電氣設備設計及運行維護標準，國際電工委員會(IEC)的水輪機、儲能泵和泵渦輪機的水力性能測試標準等行業標準及計算規范、手冊等文獻納入自身標準體系。

綜上所述，美國標準主要按照管理、工作標準和技術手冊的方式進行分類管理，標準對各階段的勘察工作均為一般性、原則性的規定，其通用性較強，有的標準不僅用于水電工程，也可以用于其他工程。如USACE的巖土工程勘察標準(EM110-1-1804)既適用于水電工程，也適用于軍事工程和土木工程。

2 中美水電工程生態保護實踐對比

2.1 中國長江三峽集團水電工程生態保護管理實踐

中國長江三峽集團有限公司(以下簡稱“三峽集團”)是一家以大型水電開發與運營為主的清潔能源公司。三峽集團肩負著長江流域水資源開發利用的重任，在保障長江流域防洪安全、航運安全、供水安全、能源安全和生態安全等方面發揮著重要作用。三峽集團下轄的烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩、三峽、葛洲壩6座巨型電站，是全球最大的梯級水電工程。

三峽集團建立了包含引用層標準、公司層標準和廠站層標準的3層標準體系。其中，引用層標準包括國際標準、國家標準、行業標準；集團公司層標準包括基礎標準和專業標準；廠站層標準主要包括各電站的運行規程、檢修規程、作業指導書等。

總體而言，三峽集團擁有豐富、系統的標準體系，但從標準的功能類型來看，以水工建筑物、電力電氣設備、調度通訊設備等的設計、測試檢修和運行維護標準為主，涉及生態環境保護的標準較少。

2.1.1生態環保工作管理標準

為了加強長江流域生態環境保護和修復，促進資源合理高效利用，保障生態安全，實現人與自然和諧共生、中華民族永續發展，2020年《中華人民共和國長江保護法》正式頒布施行，這對三峽集團生態環保工作提出了更高層次的要求。該法對三峽集團運行管理的主要要求包括：① 長江干流、重要支流和重要湖泊上游的水利水電、航運樞紐等工程應當將生態用水調度納入日常運行調度規程，建立常規生態調度機制，保證河湖生態流量。② 長江流域縣級以上地方人民政府應當組織開展富營養化湖泊的生態環境修復，實施控制性水工程統一調度、生態補水、河湖連通等綜合措施，改善和恢復湖泊生態系統的質量和功能。③ 在長江流域水生生物產卵場、索餌場、越冬場和洄游通道等重要棲息地應當實施生態環境修復和其他保護措施。④ 對魚類等水生生物洄游產生阻隔的涉水工程應當結合實際采取建設過魚設施、河湖連通、生態調度、灌江納苗、基因保存、增殖放流、人工繁育等多種措施，充分滿足水生生物的生態需求。

目前三峽生態環保工作的開展主要是在遵循《金沙江溪洛渡電站水庫運用與電站運行調度規程》《金沙江向家壩電站水庫運用與電站運行調度規程》《金沙江溪洛渡-向家壩梯級電站調度運行規程》《三峽-葛洲壩梯級電站調度運行規程》《金沙江下游-三峽梯級水庫調度運行規程》等水庫運行及調度運行規程標準文件的基礎上，結合生態保護目標，制定單庫調度或梯級水庫聯合調度方案，上報長江防總獲得批準后，擇機開展生態調度工作。

2.1.2生態環保工作實踐

自2011年起，三峽集團持續開展三峽水庫促進葛洲壩下游四大家魚自然繁殖的生態調度試驗[10]；2012年，三峽水庫首次實施了庫尾減淤調度試驗；2017年，基于三峽水庫生態調度的成功經驗，又將生態調度范圍拓展至金沙江下游，開展溪洛渡-向家壩-三峽聯合生態調度試驗，溪洛渡水庫分層取水生態調度試驗；2019年，三峽水庫開展了面向防控支流水華的生態調度；2020年，三峽水庫首次開展了針對產粘沉性卵魚類的生態調度；2021年，隨著烏東德水電站建成投產，聯合生態調度范圍進一步拓展至烏東德水庫；同年烏東德水電站集運魚設施開始運行。此外，三峽集團在長江、金沙江流域連續幾十年開展增殖放流活動，自從1984年首次放流中華鱘至2022年，三峽集團已實施65次中華鱘放流活動，累計向長江放流中華鱘近530萬尾，自2008年首次在金沙江放流長江上游珍稀特有魚類以來，截至2022年，三峽集團已經連續實施了27次金沙江魚類增殖放流活動。三峽集團針對各項工作開展了運行效果評估，積累了一定的管理經驗，提出了各項工作的主要運行策略，但目前大多生態環保工作仍處于試驗階段，尚未形面向各類生態環保措施運行管理的標準體系。三峽集團部分生存環保工作及管理策略如表1所列。

2.2 美國哥倫比亞河水電工程生態保護管理實踐

哥倫比亞河位于北美太平洋西北地區，長2 044 km，流域面積41.5萬km2，河口平均流量7 500 m3/s，落差約820 m，較大的水量和落差使其成為北美水電開發程度最高的河流之一。

哥倫比亞河上游在加拿大境內，中下游在美國境內，干流和支流共有470多座水壩。美國境內水電站中的31座大型水電站由USACE、USBR和邦尼維爾電力局(Bonneville Power Administration，BPA)共同組成的聯邦哥倫比亞河電力系統(Federal Columbia River Power System，FCRPS)負責運行，這31座大型水電站的發電量約占流域水電站總發電量的40%[11]。FCRPS下轄的31座梯級水電工程的管理運行主要以USACE和USBR的標準體系為運行管理依據。

2.2.1生態環保工作管理標準

美國在1973年頒布了《瀕危物種法案(Endangered Species Act，ESA)》，要求對瀕危和受脅物種及其棲息地進行識別，ESA將哥倫比亞河流域的13種魚類列為保護對象。因此，FCRPS作為哥倫比亞河流域的主要水能資源開發機構，必須采取措施減緩水電開發及運行對流域生態的不利影響，保護魚類的關鍵棲息地。美國國家海洋和大氣局漁業公司(NOAA Fisheries)提出了《聯邦哥倫比亞河電力系統生物保護意見》(以下簡稱“保護意見”)，以保證ESA名錄中的魚類生存和恢復，并且提出保護建議。FCRPS是保護意見的執行機構，負責根據保護意見制訂具體的實施計劃，并進行具體的計劃執行、效果監測、評估分析和報告出具。

表1 三峽集團部分生態環保工作及管理策略Tab.1 Part of ecological and environmental protection work and management strategies of the Three Gorges Group

相關部門從適應性管理的角度出發，對工程運行、棲息地、孵化、捕食管理以及研究、監測和評估5個方面的生態保護工作提出了具體的要求[12](見表2)。

(1) 水電工程運行管理包括4個策略，30項行動，主要用于提高關鍵魚類生存和洄游。對工程運行需保證的水量、水文過程和水質條件，以每個工程在魚類洄游期間的調度操作提出原則性要求。主要的技術措施包括：① 運行調度，如加大泄流量、改變泄流方式、調節泄流水溫等；② 魚類保護設施，主要包括修建魚道等過魚設施；③ 幼魚運輸，主要是集運魚系統。同時，保護意見對魚類過壩的生存率提出了具體的指標：成魚在通過Bonneville和Lower Granite之間的水壩的生存率需要達到90%～94%；幼魚在春季通過每個水壩的生存率需要達到96%，夏季需要達到93%[12]。

(2) 棲息地保護強調支流及河口棲息地的保護。支流棲息地的保護措施主要包括：增加減水河段的流量、更新老舊引水堰壩以減少阻隔、灌溉渠道設置攔魚柵、提高棲息地形態多樣性、恢復濕地和棲息地連通性等措施。在河口區域，保護意見提出了實施樁、堤拆除計劃。

(3) 孵化措施主要是對重要魚類進行人工增殖放流，從而補償水庫的淹沒產卵和育肥場，保存和重建關鍵魚類的種質資源，降低物種滅絕的短期風險。

(4) 魚類、鳥類和海洋哺乳動物的捕食是哥倫比亞河瀕危魚類面臨的威脅之一。因此，保護意見將捕食管理也作為一項重要措施。捕食管理從魚類、鳥類和海洋哺乳動物捕食3個方面，對主要的捕食動物進行控制。

(5) 研究、監測和評估主要是為各項行動的規劃、實施和評估提供支持信息。

表2 哥倫比亞河流域骨干水電工程魚類保護要求Tab.2 Fish protection requirements for the operation of key hydropower projects in the Columbia River Basin

2.2.2生態環保工作實踐

2014年1月，FCRPS發布了2008～2012年保護意見實施情況及其效果的綜合評估報告，歸納和總結了實施的各項技術措施及其效果，并且分析了魚類和環境條件的狀況[13]。作為實施保護意見的中期評估，該報告認為保護意見的主要措施發揮了有效的作用，魚類生存條件和狀況都得到了一定程度的改善。監測結果表明，魚類通過電站洄游進入哥倫比亞河的數量呈現增加趨勢，魚類順流通過電站的生存率在所有的電站都接近了NOAA Fisheries提出的目標。

在棲息地修復方面，331.52 km長的河道得到了修復，2 751.86 hm2的河流棲息地和1 497.34 hm2的河口棲息地條件得到了改善。瀕危魚類生存狀況方面，13種瀕危魚類中的12種魚類種群數量呈現上升趨勢，通過Bonneville水電站洄游到哥倫比亞河的鮭魚和虹鱒魚數量也在提高。

3 中美水電標準差異分析

通過對比發現，中美兩國水電標準在體系架構、編制思路、管理方式、標準內容和適用范圍等方面均存在差異。

① 從體系架構來說，中國標準分為國家標準、行業標準、團體標準3個層次，按照功能序列分類；美國水電相關標準主要來源于USACE和USBR等主要水利機構，按照管理、工作標準和技術手冊分類。② 編制思路上，中國的標準按照功能序列同時考慮專業，各自編制；美國是按照管理、工作標準和技術的分類，考慮工程系統性聯系進行編制。③ 管理方式上，中國標準由政府主導，是自上而下的建設過程；美國標準由第三方非盈利機構主導，是自下而上的建設過程。④ 標準內容上，中國的標準主要以規范條文形式，詳細規定各項工作的開展步驟，各步驟推薦方法，剛性條款較多，只要按照標準要求基本能完成水電工程的設計、管理及運行工作；美方的標準主要為工作手冊形式，對各項工作的原則和要求進行基本規定，剛性條款較少，標準更能允許工程師充分發揮主觀能動性，但缺點是對技術人員專業性要求較高。⑤ 適用范圍上，中國的標準針對性更強，適用范圍較窄；美國標準通用性較強[14]，有的標準不僅適用于水電工程，也適用于其他工程。

此外，本次研究以中美水電生態環保管理工作為例，對比了中美水電管理實踐中標準的編制和使用情況的差異。① 從管理經驗和標準化建設情況來看，中國水電生態環保設施雖然運行時間較短，但取得了階段性的成果，三峽集團在水電生態環保方面開展了大量的工作，但目前在生態環保管理工作標準化方面仍舊較為滯后，尚未形成系統性的標準體系。美國從20世紀70年代開始就進行了流域生態環保工作，擁有豐富的管理經驗，和較為完善的管理標準體系[15]。② 從管理方式上來說，中國采取分河段開發和管理的模式，因此從流域整體性角度對生態保護工作進行合理規劃方面較為欠缺，美國根據流域梯級水電工程的空間布局、工程特征以及魚類保護目標的生物屬性，對各項生態保護措施進行統一規劃和管理，在管理和技術兩個方面進行了成功實踐；③ 從管理機制上來說，三峽生態調度相關工作的開展主要是在遵循水庫調度運行規程標準文件的基礎上，結合生態保護目標制定單庫或梯級水庫聯合調度方案，并上報長江防總等主管單位，獲得批準后，擇機開展生態調度工作，其調度效果的監測和評估一般也都是由三峽集團組織開展，缺乏第三方監管機構。對照而言，美國哥倫比亞河流域的生態環保工作引入了第三方的監管機構。

4 結 論

(1) 中國標準體系建設由政府部門主導，是一個自上而下的過程，標準按照功能序列，分專業各自編制，標準的針對性較強，這在一定程度上也增加了標準的數量和“重復編制”的風險。美國標準體系的建設一般由民間社會團體或部門、企業主導，是一個自下而上的過程，其標準一般都是跨行業的，具有通用性，這既避免了“重復編制”，也避免標準過多導致的交叉重疊。

(2) 中美標準的編制都是基于大量的試驗和工程實踐，在對水利水電工程設計和運行的指導意義上沒有優劣之分。但從標準內容形式來說，中國的水電標準多為規范條文，詳細規定了各項工作的開展步驟，各步驟推薦采用的方法，需遵守的剛性條款較多，側重于指導使用者如何完成一項工作，其優點在于標準具有較好的指導意義，對于使用者來說可操作性強；缺點在于靈活性較差。美國標準主要為工作手冊形式，對各項工作的原則和要求進行了基本規定，需遵守的剛性條款較少，相關條款多采用講解敘述形式，側重于從原理的角度指導使用者如何解決問題，其優點在于可充分發揮工程師的主觀能動性，缺點在于標準執行對于技術人員的專業性要求較高。如何充分整合中美標準的優點，在保證標準可操作性的基礎上，提升標準的靈活性，是優化中國水電標準探索方向。

(3) 從水電可持續運行的角度，我國在水電生態保護方面取得了階段性的成果，但相關標準體系仍有待完善。借鑒美國在流域性水電生態環保的管理經驗，可探索從流域層面開展規劃，進一步完善相關法規政策，明確政府管理部門的職能、工程運行管理機構的職責、相關部門和公眾參與監管方式等。